KR20170073099A - 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

위성체의 얼라인먼트를 통합적으로 측정하는 장치가 제공된다. 상기 장치는: 레이저추적기(laser tracker)를 이용하여 측정 대상체에 부착된 제1 반사구 및 제2 반사구의 위치를 측정하는 측정부, 및 미러큐브(mirror cube)에 포함된 복수 개의 반사면에 대한 상기 제1 반사구 및 상기 제2 반사구의 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제1 좌표계를 생성하는 연산부를 포함할 수 있다.

Description

위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR INTEGRATED MEASURING OF SATELLITE ALIGNMENT}
위성체의 얼라인먼트 측정을 통합적으로 수행하는 기술에 연관되며, 보다 상세하게는 대형 위성체에 장착된 각종 센서, 추진 계통 및 자세 제어 부품들에 대한 얼라인먼트를 측정하고 보정하는 과정에서 데오도라이트에 의한 측정 좌표계와 레이저추적기에 의한 측정 좌표계를 통합하는 장치 및 그 방법에 연관된다.
인공위성의 정밀 조립이나 대형 구조물 제작과 같이 정밀 측정이 요구되는 분야에 있어, 데오도라이트 측정 시스템(theodolite measure system), 레이저 추적기(laser tracker), 사진 측정 시스템(photogrammetry system) 등의 정밀 측정 장비가 이용된다. 데오도라이트는 미러의 면에 광원을 반사시키고 그 법선 방향(normal vector)을 측정하는 장비이며, 데오도라이트 측정 시스템에서는 복수 개의 데오도라이트 사이의 거리정보와 각 데오도라이트로부터 타겟에 대한 수평각 및 수직각을 측정하는 방식으로 타겟의 3차원 좌표 정보를 획득한다. 또한, 레이저 추적기는 레이저 추적기로부터 방사된 광선이 측정 대상체에 부착된 반사구(tooling ball)에 반사되어 나온 광선을 다시 받아 측정 대상체의 3차원 위치정보를 측정하는 장비이다. 이들 측정 장비는 측정 대상체의 특성이나 목적에 따라 선택적으로 사용되거나, 또는 조합하여 통합적으로 운용된다.
위성체의 얼라인먼트 측정 시에는 하나의 위성체 좌표계에서 각종 센서, 추력기, 태양전지판 등이 정렬되어야 하는데, 이 과정에서 3차원 방향 벡터를 측정하는 데오도라이트 외에, 3차원 위치정보를 측정하는 레이저 추적기를 추가 사용하여 정렬을 수행하는 경우도 있다. 이러한 경우, 두 측정 장치의 측정 좌표계가 동일하지 않아, 얼라인먼트 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 위성체 얼라인먼트 측정 및 보정 과정에 대한 정밀도를 보다 높이기 위해서는, 상이한 측정 장비에서 측정된 좌표계를 통합하는 기술이 요구된다.
일측에 따르면, 위성체의 얼라인먼트를 통합적으로 측정하는 장치가 제공된다. 상기 장치는: 레이저추적기(laser tracker)를 이용하여 측정 대상체에 부착된 제1 반사구 및 제2 반사구의 위치를 측정하는 측정부, 및 미러큐브(mirror cube)에 포함된 복수 개의 반사면에 대한 상기 제1 반사구 및 상기 제2 반사구의 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제1 좌표계를 생성하는 연산부를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 측정부는 상기 레이저추적기로부터 방사되는 광선이 상기 제1 반사구 및 상기 제2 반사구에 각각 도달하는 경로를 측정할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 측정부는: 상기 광선이 상기 제1 반사구에 직접 도달하는 제1 직선경로 및 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면 중 제1 면에 의해 반사되어 상기 제1 반사구에 도달하는 제1 반사경로를 측정하고, 상기 광선이 상기 제2 반사구에 직접 도달하는 제2 직선경로 및 상기 복수 개의 반사면 중 제2 면에 의해 반사되어 상기 제2 반사구에 도달하는 제2 반사경로를 측정한다.
일실시예에 따르면, 상기 연산부는: 상기 제1 직선경로 및 상기 제1 반사경로를 이용하여 상기 제1 반사구의 상기 제1 면에 대한 제1 노말벡터를 계산하고, 상기 제2 직선경로 및 상기 제2 반사경로를 이용하여 상기 제2 반사구의 상기 제2 면에 대한 제2 노말벡터를 계산할 수 있다.
또한, 상기 연산부는 상기 제1 노말벡터 및 상기 제2 노말벡터의 외적(cross product) 계산 결과를 이용하여 상기 제1 좌표계를 생성할 수 있다.
이 때, 상기 미러큐브는 상기 제1 면과 상기 제2 면은 서로 직각을 유지하고, 상기 레이저추적기와 상기 제1 면 및 상기 제2 면에 대한 사이각이 45도가 되도록 배치될 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 장치는: 데오도라이트에 의해 미리 측정된 제2 좌표계를 기준으로 상기 제1 좌표계의 축 변환(axis transform)하여 제3 좌표계를 생성하는 처리부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 장치는: 기준 데오도라이트 및 이동 데오도라이트로부터 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면에 대한 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제2 좌표계를 생성하는 전처리부를 더 포함할 수 있다.
다른 일측에 따르면, 위성체의 얼라인먼트를 통합적으로 측정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은: 레이저추적기(laser tracker)를 이용하여 측정 대상체에 부착된 제1 반사구 및 제2 반사구의 위치를 측정하는 단계, 및 미러큐브(mirror cube)에 포함된 복수 개의 반사면에 대한 상기 제1 반사구 및 상기 제2 반사구의 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제1 좌표계를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 제1 측정 데이터는 상기 적어도 하나의 제1 타겟을 복수 개의 상이한 각도에서 촬영하여 획득한 복수 개의 2차원 사진을 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 제1 반사구 및 제2 반사구의 위치를 측정하는 단계는: 상기 레이저추적기로부터 방사되는 광선이 상기 제1 반사구 및 상기 제2 반사구에 각각 도달하는 경로를 측정한다.
보다 구체적으로, 상기 제1 반사구 및 제2 반사구의 위치를 측정하는 단계는: 상기 광선이 상기 제1 반사구에 직접 도달하는 제1 직선경로 및 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면 중 제1 면에 의해 반사되어 상기 제1 반사구에 도달하는 제1 반사경로를 측정하는 단계, 및 상기 광선이 상기 제2 반사구에 직접 도달하는 제2 직선경로 및 상기 복수 개의 반사면 중 제2 면에 의해 반사되어 상기 제2 반사구에 도달하는 제2 반사경로를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 미러큐브는 상기 제1 면과 상기 제2 면은 서로 직각을 유지하고, 상기 레이저추적기와 상기 제1 면 및 상기 제2 면에 대한 사이각이 45도가 되도록 배치된다.
일실시예에 따르면, 상기 제1 좌표계를 생성하는 단계는: 상기 제1 직선경로 및 상기 제1 반사경로를 이용하여 상기 제1 반사구의 상기 제1 면에 대한 제1 노말벡터를 계산하는 단계, 및 상기 제2 직선경로 및 상기 제2 반사경로를 이용하여 상기 제2 반사구의 상기 제2 면에 대한 제2 노말벡터를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 좌표계를 생성하는 단계는: 상기 제1 노말벡터 및 상기 제2 노말벡터의 외적(cross product) 계산 결과를 이용하여 상기 제1 좌표계를 생성한다.
일실시예에 따르면, 상기 방법은: 데오도라이트에 의해 미리 측정된 제2 좌표계를 기준으로 상기 제1 좌표계의 축 변환(axis transform)하여 제3 좌표계를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 방법은: 기준 데오도라이트 및 이동 데오도라이트로부터 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면에 대한 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제2 좌표계를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치를 도시하는 블록도이다.
도 2는 레이저추적기(laser tracker)를 이용하여 미러큐브(mirror cube)의 방향벡터를 측정하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 3은 일실시예에 따라 레이저추적기를 이용하여 미러큐브(mirror cube)의 복수 개의 반사면에 대한 방향벡터를 측정하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 4는 일실시예에 따라 데오도라이트를 이용하여 미러큐브에 대한 방향벡터를 측정하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 위성체 얼라인먼트 통합 측정 방법을 도시하는 흐름도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일실시예에 따른 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치(100)를 도시하는 블록도이다.
위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치(100)는 레이저추적기(laser tracker)를 이용하여 위성체에 장착되는 각종 센서나 부품들에 대한 얼라인먼트(alignment)를 측정하는 수단으로, 비교적 간편하고 안정적으로 측정 대상체에 대한 3차원 위치정보를 획득한다. 또한, 위성체 얼라인먼트를 수행하는 과정에서 레이저추적기의 측정 방식과 데오도라이트 측정 방식을 결합하여 사용하는 경우, 두 측정 방식에서의 측정 좌표계가 동일하지 않아 발생하는 얼라이먼트 오차를 줄이도록, 두 측정 방식에 의해 생성되는 좌표계들을 동일한 좌표계로 통합한다. 상기 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치(100)는 측정부(110), 연산부(120), 처리부(130) 및 전처리부(미도시)를 포함할 수 있다. 다만, 처리부(130) 및 상기 전처리부는 선택적인(optional) 구성으로서, 일부 실시예에서는 상기 처리부(130) 및 상기 전처리부가 생략될 수도 있다.
먼저, 측정부(110)는 레이저추적기(laser tracker)를 이용하여 측정 대상체에 부착된 제1 반사구 및 제2 반사구의 위치를 측정할 수 있다. 상기 측정부(110)는 상기 레이저추적기로부터 방사되는 광선이 상기 제1 반사구 및 상기 제2 반사구에 각각 도달하는 경로를 측정한다. 이를 테면, 상기 측정부(110)는 상기 제1 반사구에 대해, 상기 광선이 상기 제1 반사구에 직접 도달하는 제1 직선경로와 미러큐브의 복수 개의 반사면 중 제1 면에 의해 반사되어 상기 제1 반사구에 도달하는 제1 반사경로를 측정한다. 이 때, 상기 제1 직선경로는 상기 광선이 상기 레이저추적기로부터 상기 제1 면을 거치지 않고 바로 상기 제1 반사구에 도달하는 경로를 의미하고, 상기 제1 반사경로는 상기 광선이 상기 제1 면에 반사된 후 상기 제1 반사구에 도달하는 경로를 의미한다. 마찬가지로, 상기 측정부(110)는 상기 제2 반사구에 대해, 상기 광선이 상기 제2 반사구에 직접 도달하는 제2 직선경로와 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면 중 제2 면에 의해 반사되어 상기 제2 반사구에 도달하는 제2 반사경로를 측정한다. 여기서, 상기 제2 직선경로는 상기 광선이 상기 레이저추적기로부터 상기 제2 면을 거치지 않고 바로 상기 제2 반사구에 도달하는 경로이고, 상기 제2 반사경로는 상기 광선이 상기 제2 면에 반사된 후 상기 제2 반사구에 도달하는 경로이다. 상기 미러큐브는 복수 개의 반사면을 가지는 입방면체 형상을 가지는 물체이며, 상기 레이저추적기의 측정 오차를 최소화하도록 제1 면과 상기 제2 면은 서로 직각을 유지하고, 상기 레이저추적기와 상기 제1 면 및 상기 제2 면에 대한 사이각이 45도가 되도록 배치될 수 있다.
연산부(120)는 상기 미러큐브에 포함된 복수 개의 반사면에 대한 제1 반사구 및 상기 제2 반사구의 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제1 좌표계를 생성할 수 있다. 상기 연산부(120)는 상기 측정부(110)를 통해 측정된 상기 제1 직선경로 및 상기 제1 반사경로를 이용하여 상기 제1 반사구의 상기 제1 면에 대한 제1 노말 방향벡터를 계산한다. 또한, 상기 연산부(120)는 상기 측정부(110)에서 측정된 상기 제2 직선경로 및 상기 제2 반사경로를 이용하여 상기 제2 반사구의 상기 제2 면에 대한 제2 노말 방향벡터를 계산한다. 상기 제1 노말 방향벡터 및 상기 제2 노말 방향벡터는 상기 측정 대상체에 대한 쿼터니언(quaternion) 보정 및 상기 미러큐브에 대한 좌표계 생성에 이용된다.
또한, 상기 연산부(120)는 상기 제1 노말 방향벡터 및 상기 제2 노말 방향벡터의 외적(cross product)을 통해 하나의 벡터를 계산하고, 상기 계산된 벡터를 이용하여 제1 좌표계를 생성할 수 있다.
한편, 전처리부(미도시)는 데오도라이트를 이용하여 상기 측정 대상체에 대한 제2 좌표계를 미리 계산해둘 수 있다. 상기 전처리부는 기준 데오도라이트 및 이동 데오도라이트로부터 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면에 대한 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제2 좌표계를 생성한다.
처리부(130)는 데오도라이트에 의해 미리 측정된 상기 제2 좌표계를 기준으로 상기 제1 좌표계의 축 변환(axis transform)하여 제3 좌표계를 생성할 수 있다. 상기 제1 좌표계와 상기 제2 좌표계는 동일한 미러큐브에 대해 레이저추적기 및 데오도라이트에서 각각 계산된 방향성에 기초하여 생성된 좌표계이므로, 상기 처리부(130)에서는 상기 제1 좌표계 및 상기 제2 좌표계 사이의 축 변환 관계를 계산한 후 이에 기초하여 상기 제3 좌표계를 생성한다. 또한, 상기 처리부(130)는 측정 원점을 위성체 기준점으로 결정함으로써, 레이저추적기 좌표계의 측정 결과와 데오도라이트 좌표계의 측정 결과를 통합하여 관리할 수 있다.
위성체 얼라이먼트 측정 장치(100)는 레이저추적기의 측정 방식과 데오도라이트 측정 방식을 결합하여 사용하는 과정에서 두 측정 방식에 의해 생성되는 좌표계들을 동일한 좌표계로 통합함으로써, 두 측정 방식에서의 측정 좌표계가 동일하지 않아 발생하는 얼라이먼트 오차를 줄이고, 나아가 보다 정밀한 위성체 얼라인먼트 측정 및 보정이 가능해지도록 한다.
도 2는 레이저추적기(laser tracker)를 이용하여 미러큐브(mirror cube)의 방향벡터를 측정하는 과정을 설명하는 도면이다.
일반적으로 데오도라이트(theodolite) 측정 방식에서 사용하는 미러큐브에 대해 레이저추적기로 좌표축을 생성하는 과정에서, 레이저추적기로 미러큐브에 대한 방향성을 직접 측정하기는 어렵다. 따라서, 레이저추적기로 미러큐브에 대한 방향벡터를 직접 측정하는 대신에, 미러큐브의 반사면에 대해 간접적으로 벡터를 측정하는 방식을 적용해볼 수 있다.
도 2에서, 레이저추적기(210)가 광선을 이용하여 측정 대상 반사구(230)에 도달하는 경로를 측정한다. 상기 광선이 상기 반사구(230)에 도달하는 경로는 미러큐브(220)에 의해 반사되어 도달하는 반사경로 및 상기 미러큐브(220)를 거치지 않고 직접 도달하는 직선경로를 포함한다.
상기 반사경로는 상기 광선이 입방면체 형태의 상기 미러큐브(220)의 어느 한 면에 반사된 후 상기 반사구(230)에 도달하는 경로를 의미하는데, 도 2의 'A'와 같이 나타낼 수 있다. 상기 반사경로를 이용하여 상기 반사구(230)의 위치를 측정하는 경우, 상기 광선이 상기 미러큐브(220)를 통과하는 가상의 반사구 위치인 (231)이 측정된다.
상기 직선경로는 상기 광선이 상기 레이저추적기로부터 상기 미러큐브(220)를 거치지 않고 바로 상기 반사구(230)에 도달하는 경로를 의미하며, 이는 도 2의 'B'와 같이 표시될 수 있다. 이 때, 상기 반사구(230)의 위치 및 상기 가상의 반사구 위치(231)의 방향벡터가 상기 미러큐브(220)의 노말 방향벡터
Figure pat00001
으로 측정된다.
한편, 레이저추적기의 측정좌표계를 생성하기 위해서는 상기 미러큐브의 복수 개의 면에 대해 방향성을 측정해야 하는데, 이에 대해서는 아래 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 일실시예에 따라 레이저추적기를 이용하여 미러큐브(mirror cube)의 복수 개의 반사면에 대한 방향벡터를 측정하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 3에서, 레이저추적기(310)가 광선을 이용하여 측정 대상에 부착된 제1 반사구(330) 및 제2 반사구(340)에 도달하는 경로를 측정한다. 상기 측정된 경로는, 미러큐브(320)에 포함된 복수 개의 반사면 중 제1 면(321) 및 제2 면(322)에 의해 각각 반사되어 상기 제1 반사구(330) 및 상기 제2 반사구(340)에 도달하는 제1 반사경로 및 제2 반사경로와, 상기 미러큐브(320)를 거치지 않고 상기 제1 반사구(330) 및 상기 제2 반사구(340)에 직접 도달하는 제1 직선경로 및 제2 직선경로를 포함한다.
상기 제1 반사경로는 상기 광선이 입방면체 형태의 상기 미러큐브(320)의 제1 면(321)에 반사된 후 상기 제1 반사구(330)에 도달하는 경로를 의미하고, 상기 제2 반사경로는 상기 광선이 상기 미러큐브(320)의 제2 면(322)에 반사된 후 상기 제2 반사구(340)에 도달하는 경로를 의미한다. 상기 제1 반사경로 및 제2 반사경로를 이용하여 상기 제1 반사구(330) 및 상기 제2 반사구(340)의 위치를 각각 측정하는 경우, 상기 광선이 상기 미러큐브(320)를 통과하는 가상의 반사구 위치인 (331) 및 (341)이 측정된다.
상기 제1 직선경로는 상기 광선이 상기 레이저추적기로부터 상기 미러큐브(320)를 거치지 않고 바로 상기 제1 반사구(330)에 도달하는 경로를 나타내고, 상기 제2 직선경로는 상기 광선이 상기 미러큐브(320)를 거치지 않고 바로 상기 제2 반사구(340)에 도달하는 경로를 나타낸다. 이 때, 상기 제1 반사구(330)의 위치 및 가상의 제1 반사구 위치(331)의 방향벡터가 상기 미러큐브(420)의 제1 노말 방향벡터
Figure pat00002
으로 측정되고, 상기 제2 반사구(340)의 위치 및 가상의 제2 반사구 위치(341)의 방향벡터가 상기 미러큐브(320)의 제2 노말 방향벡터
Figure pat00003
로 측정된다.
또한, 상기 미러큐브(320)는 상기 레이저추적기(310)의 측정 오차를 최소화하도록, 제1 면(321)과 제2 면(322)은 서로 직각을 유지하고, 상기 레이저추적기와 상기 제1 면(321) 및 상기 제2 면(322)에 대한 사이각이 45도가 되도록 배치된다.
이후, 상기 제1 노말 방향벡터 및 상기 제2 노말 방향벡터의 외적(cross product)으로 하나의 벡터를 계산하고, 상기 계산된 하나의 벡터를 이용하여 레이저추적기의 측정좌표계가 생성된다. 다만, 상기 레이저추적기의 측정좌표계는 기존의 데오도라이트 측정좌표계와 일치하지 않아 얼라이먼트 오차를 발생할 수 있으므로, 두 측정 방식에 의해 생성되는 좌표계들을 동일한 좌표계로 통합할 필요가 있다. 이를 위해, 상기 레이저추적기의 측정좌표계를 데오도라이트 측정 좌표계를 기준으로 축 변환(axis transform)하여 새로운 좌표계를 생성하는 과정이 추가 수행된다. 이 때 생성된 새로운 좌표계는 상기 데오도라이트 측정좌표계와 동일하며, 레이저추적기 좌표계의 측정 결과와 데오도라이트 좌표계의 측정 결과를 통합함으로써 보다 정밀한 위성체 얼라인먼트 측정 및 보정이 가능해진다.
도 4는 일실시예에 따라 데오도라이트를 이용하여 미러큐브에 대한 방향벡터를 측정하는 과정을 설명하는 도면이다.
보다 구체적으로, 도 4a는 데오도라이트를 이용한 위성체 얼라이먼트 측정 장치의 사시도를, 도 4b는 데오도라이트를 이용한 위성체 얼라이먼트 측정 장치의 평면도를 각각 도시하고 있다.
데오도라이트(theodolite)는 수평 및 수직을 측정하는 장비로서, 복수 개의 데오도라이트를 이용하여 측정 대상물 위에 미리 설치된 타겟(면경)의 중심점을 조준하여 측정하는 방식으로 측정점에 대한 3차원 좌표값을 획득할 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 데오도라이트를 이용한 얼라인먼트 측정시스템은 기준 데오도라이트(410), 복수 개의 이동용 데오도라이트(421, 422, 423) 및 반사경(430)을 포함한다. 먼저, 측정 대상물에 부착된 제1 면경(441)과 기준 데오도라이트(410)를 자동 시준하여 제1 면경의 각도, 회전각도, 각속도 등의 데이터가 측정된다. 상기 자동 시준 시, 상기 측정 대상물은 시계 방향(Rn)으로 회전되고, 기준 데오도라이트(410)는 자신을 지지하고 있는 수직 툴링바의 높이 조절을 통해 수행될 수 있다. 이후, 이동용 데오도라이트(421, 422, 423)를 지지하는 스탠드의 높이 조절을 통해 상기 이동용 데오도라이트(421, 422, 423)를 각각 측정 대상물에 부착된 제1 면경(441) 및 제2 면경(442)과 자동 시준하면, 각 면경의 각도 정보가 측정되고, 상기 이동용 데오도라이트(421, 422, 423) 간의 상호 시준을 통해 동일한 직선 상에 상기 이동용 데오도라이트(421, 422, 423)가 위치하도록 하여 수평각 정보가 공유된다. 또한, 기준 데오도라이트(410)와 반사경(430)을 자동 시준하여 기준각이 측정되고, 상기 기준 데오도라이트(410)와 상기 이동용 데오도라이트(421, 422, 423) 간에 상호 시준을 통해 상기 반사경(430)의 기준각 정보가 공유된다. 상기 데오도라이트를 이용한 얼라인먼트 측정시스템에서는 기준 데오도라이트(410), 이동용 데오도라이트(421, 422, 423) 및 반사경(430) 등을 통해 측정 및 공유된 데이터를 이용하여 상기 측정 대상물에 설치된 면경(441, 442)의 방향성을 계산할 수 있다. 그리고, 상술한 과정의 반복 수행을 통해 고정밀 측정을 요구하는 측정 대상물의 방향성 및 3차원 좌표를 계산할 수 있다.
측정 대상물의 회전각도가 측정 횟수에 따라 R1, R2, R3, ...Rn으로 구분되고, 기준 데오도라이트(410)와 반사경(430)을 자동 시준하여 계산된 면경 수평각도가 A1, A2, ...An이라고 할 때, n번째 측정 시 기준 데오도라이트(410)가 자동 시준하여 측정한 제1 면경(441)의 수평각은 수학식1에 의해 계산될 수 있다.
Figure pat00004
또한, 기준 데오도라이트(410)와 이동용 데오도라이트(421, 422, 423) 사이의 상호 시준을 통해 공유된 기준각 정보로부터 회전각 Rn을 차감하여, 이동용 데오도라이트(421, 422, 423)의 측정 대상물의 방향성이 계산된다. 이를 테면, n번째 측정 시 상기 측정 대상물의 회전각도가 Rn이고, 기준 데오도라이트(410)와 반사경(430) 사이의 자동 시준된 기준각이 An_Ⅰ, 기준 데오도라이트(410)에서 이동용 데오도라이트(421, 422, 423)와 상호 시준한 각도가 An_Ⅱ, 이동용 데오도라이트(421, 422, 423)에서 제2 면경(442)과 자동 시준한 각도가 Bn_Ⅰ, 이동용 데오도라이트(421, 422, 423)에서 기준 데오도라이트(410)와 상호 시준한 각도가 Bn_Ⅱ 라고 할 때, 이동용 데오도라이트(421, 422, 423)의 기준각은 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00005
그리고, 이동용 데오도라이트(421, 422, 423)에서 측정된 제2 면경(442)의 수평각은 수학식 3을 통해 계산된다.
Figure pat00006
상기 얼라인먼트 측정시스템에서는 기준 데오도라이트(410), 이동용 데오도라이트(421, 422, 423) 등을 통해 입력되는 측정 결과를 통해 상기 측정 대상물의 얼라이먼트 측정값이 설계 허용 오차 범위를 만족하는지 여부를 판단할 수 있으며, 상기 허용 오차 범위를 벗어나는 경우 얼라인먼트 측정값의 좌표 변환을 통해 위성체의 측정 대상의 위치를 변경한 후 얼라인먼트를 재측정하는 과정을 반복하여 위성체 얼라인먼트 측정값이 오차 범위를 만족하도록 보정할 수 있다.
기준 데오도라이트(410) 및 이동용 데오도라이트(421, 422, 423)는 측정 대상물에 부착된 면경(441, 442)를 자동 시준하여 상기 면경의 수직벡터에 대한 극좌표 값을 구하고, 이를 직각 좌표계로 변환하여 상기 수직벡터에 대한 단위벡터 값을 구할 수 있다. 또한, 기준 데오도라이트(410) 및 이동용 데오도라이트(421, 422, 423)의 측정값(수평각(AH)과 수직각(AV))을 아래 수학식 4를 통해 좌표 변환하여 측정 대상물의 3차원 좌표(x, y, z)를 계산할 수 있다.
Figure pat00007
이와 같이, 데오도라이트를 이용한 얼라인먼트 측정 시스템은 측정 대상물(위성체)에 설치되는 센서 및 장비들의 방향성을 계산할 수 있고, 이 과정에서 복수의 데오도라이트를 상호 시준하여 동시에 하나 이상의 센서 및 장비들의 방향성을 측정하여 측정 시간을 단축할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 위성체 얼라이먼트 통합 측정 방법을 도시하는 흐름도이다.
위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치는 레이저추적기(laser tracker)를 이용하여 측정 대상체에 대한 3차원 위치정보를 획득하고, 레이저추적기의 측정 방식과 데오도라이트 측정 방식을 결합하여 사용하는 과정에서 두 측정 방식에 의해 생성되는 좌표계들을 동일한 좌표계로 통합하는 방법을 제공한다.
단계 510에서는, 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치의 측정부가 레이저추적기를 이용하여 측정 대상체에 부착된 제1 반사구 및 제2 반사구의 위치를 측정할 수 있다. 단계 510에서, 상기 측정부는 상기 레이저추적기로부터 방사되는 광선이 상기 제1 반사구 및 상기 제2 반사구에 각각 도달하는 경로를 측정한다. 이를 테면, 상기 측정부는 상기 제1 반사구에 대해, 상기 광선이 상기 제1 반사구에 직접 도달하는 제1 직선경로와 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면 중 제1 면에 의해 반사되어 상기 제1 반사구에 도달하는 제1 반사경로를 측정한다. 이 때, 상기 제1 직선경로는 상기 광선이 상기 레이저추적기로부터 상기 제1 면을 거치지 않고 바로 상기 제1 반사구에 도달하는 경로를 의미하고, 상기 제1 반사경로는 상기 광선이 상기 제1 면에 반사된 후 상기 제1 반사구에 도달하는 경로를 의미한다. 또한, 상기 측정부는 상기 제2 반사구에 대해, 상기 광선이 상기 제2 반사구에 직접 도달하는 제2 직선경로와 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면 중 제2 면에 의해 반사되어 상기 제2 반사구에 도달하는 제2 반사경로를 측정한다. 여기서, 상기 제2 직선경로는 상기 광선이 상기 레이저추적기로부터 상기 제2 면을 거치지 않고 바로 상기 제2 반사구에 도달하는 경로이고, 상기 제2 반사경로는 상기 광선이 상기 제2 면에 반사된 후 상기 제2 반사구에 도달하는 경로이다. 이 때, 상기 미러큐브는 상기 레이저추적기의 측정 오차를 최소화하도록, 제1 면과 상기 제2 면은 서로 직각을 유지하고, 상기 레이저추적기와 상기 제1 면 및 상기 제2 면에 대한 사이각이 45도가 되도록 배치될 수 있다.
단계 520에서는, 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치의 연산부가 상기 미러큐브에 포함된 복수 개의 반사면에 대한 제1 반사구 및 상기 제2 반사구의 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제1 좌표계를 생성할 수 있다. 상기 연산부는 단계 510에서 측정된 상기 제1 직선경로 및 상기 제1 반사경로를 이용하여 상기 제1 반사구의 상기 제1 면에 대한 제1 노말 방향벡터를 계산하고, 마찬가지로 단계 510에서 측정된 상기 제2 직선경로 및 상기 제2 반사경로를 이용하여 상기 제2 반사구의 상기 제2 면에 대한 제2 노말 방향벡터를 계산한다. 상기 제1 노말 방향벡터 및 상기 제2 노말 방향벡터는 상기 측정 대상체에 대한 쿼터니언(quaternion) 보정 및 상기 미러큐브에 대한 좌표계 생성에 이용된다. 또한, 단계 520에서, 상기 연산부는 상기 제1 노말 방향벡터 및 상기 제2 노말 방향벡터의 외적(cross product)을 통해 하나의 벡터를 계산하고, 상기 계산된 벡터를 이용하여 제1 좌표계를 생성할 수 있다.
단계 530에서는, 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치의 처리부가 데오도라이트에 의해 미리 측정된 상기 제2 좌표계를 기준으로 상기 제1 좌표계의 축 변환(axis transform)하여 제3 좌표계를 생성할 수 있다. 이를 위해, 단계 530에서 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치의 전처리부가 데오도라이트를 이용하여 상기 측정 대상체에 대한 제2 좌표계를 미리 계산해둘 수 있다. 상기 전처리부는 기준 데오도라이트 및 이동 데오도라이트로부터 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면에 대한 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제2 좌표계를 생성한다.
상기 제1 좌표계와 상기 제2 좌표계는 동일한 미러큐브에 대해 레이저추적기 및 데오도라이트에서 각각 계산된 방향성에 기초하여 생성된 좌표계이므로, 단계 530에서 상기 처리부는 상기 제1 좌표계 및 상기 제2 좌표계 사이의 축 변환 관계를 계산한 후 이에 기초하여 상기 제3 좌표계를 생성할 수 있다. 또한, 상기 처리부는 측정 원점을 위성체 기준점으로 결정함으로써, 레이저추적기 좌표계의 측정 결과와 데오도라이트 좌표계의 측정 결과를 통합하여 관리할 수도 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. 레이저추적기(laser tracker)를 이용하여 측정 대상체에 부착된 제1 반사구 및 제2 반사구의 위치를 측정하는 측정부; 및
    미러큐브(mirror cube)에 포함된 복수 개의 반사면에 대한 상기 제1 반사구 및 상기 제2 반사구의 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제1 좌표계를 생성하는 연산부
    를 포함하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 레이저추적기로부터 방사되는 광선이 상기 제1 반사구 및 상기 제2 반사구에 각각 도달하는 경로를 측정하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 광선이 상기 제1 반사구에 직접 도달하는 제1 직선경로 및 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면 중 제1 면에 의해 반사되어 상기 제1 반사구에 도달하는 제1 반사경로를 측정하고,
    상기 광선이 상기 제2 반사구에 직접 도달하는 제2 직선경로 및 상기 복수 개의 반사면 중 제2 면에 의해 반사되어 상기 제2 반사구에 도달하는 제2 반사경로를 측정하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제1 직선경로 및 상기 제1 반사경로를 이용하여 상기 제1 반사구의 상기 제1 면에 대한 제1 노말벡터를 계산하고,
    상기 제2 직선경로 및 상기 제2 반사경로를 이용하여 상기 제2 반사구의 상기 제2 면에 대한 제2 노말벡터를 계산하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제1 노말벡터 및 상기 제2 노말벡터의 외적(cross product) 계산 결과를 이용하여 상기 제1 좌표계를 생성하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 미러큐브는,
    상기 제1 면과 상기 제2 면은 서로 직각을 유지하고, 상기 레이저추적기와 상기 제1 면 및 상기 제2 면에 대한 사이각이 45도가 되도록 배치되는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    데오도라이트(theodolite)에 의해 미리 측정된 제2 좌표계를 기준으로 상기 제1 좌표계의 축 변환(axis transform)하여 제3 좌표계를 생성하는 처리부
    를 더 포함하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    기준 데오도라이트 및 이동 데오도라이트로부터 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면에 대한 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제2 좌표계를 생성하는 전처리부
    를 더 포함하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 장치.
  9. 레이저추적기(laser tracker)를 이용하여 측정 대상체에 부착된 제1 반사구 및 제2 반사구의 위치를 측정하는 단계; 및
    미러큐브(mirror cube)에 포함된 복수 개의 반사면에 대한 상기 제1 반사구 및 상기 제2 반사구의 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제1 좌표계를 생성하는 단계
    를 포함하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 반사구 및 제2 반사구의 위치를 측정하는 단계는,
    상기 레이저추적기로부터 방사되는 광선이 상기 제1 반사구 및 상기 제2 반사구에 각각 도달하는 경로를 측정하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 반사구 및 제2 반사구의 위치를 측정하는 단계는,
    상기 광선이 상기 제1 반사구에 직접 도달하는 제1 직선경로 및 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면 중 제1 면에 의해 반사되어 상기 제1 반사구에 도달하는 제1 반사경로를 측정하는 단계; 및
    상기 광선이 상기 제2 반사구에 직접 도달하는 제2 직선경로 및 상기 복수 개의 반사면 중 제2 면에 의해 반사되어 상기 제2 반사구에 도달하는 제2 반사경로를 측정하는 단계
    를 포함하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 미러큐브는,
    상기 제1 면과 상기 제2 면은 서로 직각을 유지하고, 상기 레이저추적기와 상기 제1 면 및 상기 제2 면에 대한 사이각이 45도가 되도록 배치되는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 좌표계를 생성하는 단계는,
    상기 제1 직선경로 및 상기 제1 반사경로를 이용하여 상기 제1 반사구의 상기 제1 면에 대한 제1 노말벡터를 계산하는 단계; 및
    상기 제2 직선경로 및 상기 제2 반사경로를 이용하여 상기 제2 반사구의 상기 제2 면에 대한 제2 노말벡터를 계산하는 단계
    를 포함하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 좌표계를 생성하는 단계는,
    상기 제1 노말벡터 및 상기 제2 노말벡터의 외적(cross product) 계산 결과를 이용하여 상기 제1 좌표계를 생성하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    데오도라이트(theodolite)에 의해 미리 측정된 제2 좌표계를 기준으로 상기 제1 좌표계의 축 변환(axis transform)하여 제3 좌표계를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    기준 데오도라이트 및 이동 데오도라이트로부터 상기 미러큐브의 복수 개의 반사면에 대한 방향성을 계산하고, 상기 계산된 방향성에 기초하여 제2 좌표계를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 위성체 얼라인먼트 통합 측정 방법.
  17. 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위성체 얼라인먼트 통합 측정 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록매체.
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KR20230075815A (ko) * 2021-11-23 2023-05-31 한국항공우주연구원 인공위성 얼라인먼트 측정방법

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